基于单片机的路灯稳压控制系统毕业论文.doc

摘 要：在生活中，路灯照明是必不可少的，它能使我们的道路更加明亮，使我们的城市更加美观。本文主要设计了一种基于51单片机为核心控制器的数控稳压控制系统。该电路具有电压可步进调制，对输出电压和电流信号进行调整以及显示，根据光照情况进行LED灯的开关功能。本文设计的路灯稳压控制系统主要以STC89C52单片机为核心控制单元，先以光信号采集电路进行继电器驱动，再以数模转换芯片DAC0832输出参考电压，并控制三端稳压器LM317输出电压，同时对输出电压/电流进行采样，接着采用A/D转换芯片ADC0832对采样的电压、电流转换为数字信号，再通过单片机实现闭环控制。随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，人们节电意识的不断提高，稳压控制电源将会成为城市建设的首选。关键词：单片机（MCU）；数模转换器（DAC）；模数转换器（ADC）；闭环控制Abstract: In life, street lamp lighting is indispensable, it can make our way more bright, to make our city more beautiful. This paper designed a kind of 51 single-chip microcomputer as the core controller based on the numerical control voltage control system. This circuit has voltage can be stepping modulation, output voltage and current signal to adjust and display light situation, according to the switch function leds. This design voltage control system mainly lamps STC89C52 singlechip control unit, first with the light signal acquisition circuit relay drivers, again with analog-to-digital conversion chip DAC0832 output, and controls the three reference voltage stabilizer LM317 output voltage, the output voltage/current simultaneously on sampling, then adopts A/D conversion chips for sampling ADC0832 voltage, current into digital signals, then through the SCM realizing closed-loop control. Along with the development of science and technology, especially the rapid development of computer technology, people power saving consciousness rise ceaselessly, the control of the power supply voltage will become urban construction of choice.Keywords: Micro Controller Unit (MCU)；digital-to-analog converters (DAC)；digital converter (ADC)；closed-loop control 目录1、绪论11.1 国内外研究状况21.2 论文的总体结构32、总体设计方案及各功能模块硬件实现42.1 总体设计方案及论证42.2各功能模块主要硬件实现62.2.1 三端可调稳压器62.2.2 数模转换芯片72.2.3 模数转换芯片92.2.4 运算放大器112.2.5 液晶屏显示113、硬件模块设计133.1 单片机控制模块133.2 稳压控制模块143.3 电压与电流采样模块163.4 显示模块173.5 键盘模块183.6 光信号采集模块193.7 继电器驱动模块204、软件设计214.1 主程序模块214.2 电压反馈比较子程序模块224.3 按键扫描子程序模块235、系统测试245.1 硬件测试245.2 软件调试256、总结和展望28参考文献29致谢30附录一 系统整体原理图31附录二 系统源程序32附录三 PCB图45附录四 实物图46附录五 元器件清单47电是工业的动力，是人类生活的源泉，如果没了电，人类将失去光明，人类生活将变成一片混乱。电能给我们带来幸福，我们却时时刻刻在浪费它，特别是我们用的照明路灯，浪费得特别严重。现在，各个城市，大街小巷都装有路灯，路灯已成为家喻户晓的照明设备。但我们并不知道，随着照明路灯的剧增，路灯的用电量也在急剧增加。而且路灯基本都采用高压钠灯（该灯功率大），区域内供电电压极不稳定，波动范围大。尤其是在下半夜，电压通常高达250V以上，致使灯泡损耗率极高。为节省能耗，减少浪费，降低成本，有必要进行改造。对城市路灯的设计已经成为了当务之急，特别是午夜之后车流量急剧减少时，应该适当的关闭路灯，节省用电。但是我国的既能省电又能延长路灯寿命的技术相比国外却是落后了，特别是要针对我国的现状并且吸取国外的技术经验才能设计出符合我国的路灯控制技术。因此，我尝试利用单片机来控制电压的稳定输出，降低额外浪费。本文主要介绍了如何利用单片机来控制稳压，恒流输出。本设计主要以三端稳压电路来实现输入电压的稳定，利用数模转换电路来实现输出电压/电流的采集、反馈，接着让单片机来控制输出，从而形成一个闭环反馈回路。1、绪论电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、材料等诸多学科领域。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通的直流稳压电源品种有很多，但均存在以下二个问题：输出电压是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节。这样，当输出电压需要精确输出，或需要再一个小范围内改变时，困难就较大。另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。随着电子技术的不断发展，以单片机为核心的新一代智能型稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了模拟电路的要求。在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波器直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并由电压表指示电压值的大小。因此，电压的调整精度不高，读数欠直观，电位器也容易磨损。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。1.1 国内外研究状况在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年。目前我国市场上有多种路灯节能控制产品，能达到一定节能效果，但就功能和效果上还不能尽如人意，主要由以下几类情况：采用自祸变压器及磁饱和电抗器的降压技术。其不足是由于反应速度较慢，用电高峰时电压降到非稳定区，容易造成灯光闪灭，不能自动调节，同时如果电压突然升高，则不能避免灯具受到市电的瞬时高压冲击，对灯具的保护能力较差;相对来说稳压功能较差。针对于磁饱和电抗器来说，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。采用电气器件构成的可控硅式设备。该设备主要采取简单的相控技术，不足之处是元件容易发热烧坏，由于采用相控技术产生谐波污染电网，使荧光灯和气体灯小停闪动，减损灯具寿命及相关附件的使用寿命，降低照明质量，不绿化不环保，国家相关规定已经明确禁止使用这种无功补偿技术设备，以系统节电滤波形式，主要是净化电网，补充无功功率，补偿电网，而对于有功电度表计量系统，缺少实际节电效果。如今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行室电源产品大容量化地一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间。电流模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多人物监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。近20年来，美国和日本照明节能集中在使用紧凑型荧光灯(CFL)和荧光灯采用镇流器两个方面。国外照明节能技术的发展具有以下特点.(1)大力推动绿色照明，在光源的材料，使用规范上加以有效管理，出台了一系列的标准和管理要求，将照明节能推广到全民范围;(2)不断提高功率器件性能要求，主要体现在镇流装置上技术提高。通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因素。1.2 论文的总体结构第一部分主要是介绍本设计的背景、意义以及国内外研究现状，还介绍了本设计的主要研究内容。第二部分主要介绍了本设计总的设计思路并提出了几种方案的实现与论证，并对该方案运用的基础知识和所使用的器件作出了扼要的介绍。第三部分主要详细阐述了各个模块的整体结构以及设计框图，包括单片机控制系统模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、继电器驱动模块、显示模块、光信号采集模块和键盘模块。第四部分主要阐述了软件设计的思路以及软件设计流程图。第五部分主要对该系统进行测试及误差分析。第六部分是对本设计进行总结。2、总体设计方案及各功能模块硬件实现2.1 总体设计方案及论证根据设计要求，我设计了以下三种方案：方案一，设计开关电源。在前期方案设计中采用PWM脉宽调制。它的功耗小，效率高，稳压范围宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。在制作过程中发现，PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电压的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小时（希望得到输出的电压很小），利用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。但用数字量控制的作用更加明显。方案二，用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏置电流（电压）。采用此方案能有效的缩短调节时间，并能提高输出精度。设计方案，包括了微控制器模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块四部分构成，形成开环控制。方案原理图如图2.1所示。方案三，用D/A芯片和三端稳压控制芯片来实现稳压控制，即采用D/A输出调节晶体管的偏置电流（电压）：使用电压、电流采样电路，通过A/D转换实现闭环控制。本设计主要是通过MCU控制D/A的输出电压大小，通过放大器放大，给稳压模块作为输出的参考电压，真正的电压、电流是由稳压模块输出。采用此方案是对方案二的改进，能有效的缩短调节时间，进一步提高输出精度。该设计方案，主要由单片机控制模块，稳压控制模块，电压/电流采样模块，显示模块，键盘模块，光信号采集模块，继电器输出模块七部分组成。液晶屏显示电路，该模块使用LCD1602液晶显示屏，可以清晰的显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文名称和电压/电流单位。系统整体设计方框图如图2.2所示。单片机输入按键电路稳压电路输出液晶屏显示数模转换图2.1 方案原理图模数转换器三端稳压 电压采样电流采样电源单片机液晶屏显示键盘控制数模转换器三端稳压光信号采集灯信号反馈继电器驱动电压放大图2.2 系统整体设计方框图2.2各功能模块主要硬件实现2.2.1 三端可调稳压器在进行稳压器选择时，我挑选了以下两种三端稳压器来进行比较分析。方案一，7805是三端正电源稳压电路，它是5V固定电压输出，应用非常广泛。其内部有过流保护、过热保护以及安全工作区得保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然7805是按照固定电压值来设定的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。方案二，LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。在输出电压范围为1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。此外还使用内部限流、热管段和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。LM317服务于多种应用场合，包括局部稳压等。该器件还可以用来制作一种可编程的输出稳压器，或者，通过在调整点和输出之间接一个固定电阻，LM317可用作一种精密稳流器。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。在可调式集成稳压器中，317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，其可调范围为1.2V37V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源，LM317典型电路如图2.3所示。当稳压器离电源滤波器有一定距离时Cin是必需的。Co对稳定性而言不必要，但改进瞬态响应。Vout=1.25V（1+）+IadjR2 (式2.1)式2.1中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压Vref，此电压加于给定电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器R2。，电阻R1常取值120240，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。综合以上两种方案，从性能以及电路需求上考虑，本设计采用方案二，因为LM317以及LM337电路能够连续可调电压/电流，而且LM317可输出正电压，LM337可输出负电压。 图2.3 LM317应用电路2.2.2 数模转换芯片数模转换芯片TLC5620是带有4个电压输出型的8位数模转换器，DAC0832是一种常用的CMOS数模转换器，以下是对这两种数模转换芯片的方案比较。方案一，TLC5620带有缓冲参考输入（高阻抗）。DAC模块输出电压范围为1或2倍的参考电压，TLC5620是单向的。这个器件使用很简单，有一个5V的单电源供电。上电复位功能可以保证重启动条件。对TLC5620的数字控制是通过一个简单的3线串行总线完成，并且与CMOS版本兼容，易于和所用主流微处理器和微控制器接口。11位的命令字由8位数据位、2位DAC模块选择位和1位范围位组成，范围位允许输出范围在1或2倍之间选择。DAC寄存器是双缓冲的，允许一套完整的新值写入器件，通过控制LDAC端所有DAC输出都可以同时更新。数字输入的施密特触发器特性可以抑制高频噪声。14针的小外形封装使得模拟信号的数字控制功能可以应用于要求节省空间的情况。TL5620的工作温度范围是0到70。TLC5620不需要外部微调。TLC5620是用4个电阻串DAC模块实现的。每个电阻串的一端接到GND端，另一端接到参考输入缓冲的输出端。通过使用电阻串可以维持单调性。线性依赖于电阻元件的匹配和输出缓冲的性能。由于输入带有缓冲，DAC对参考源总是呈现高阻抗。方案二，DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。DAC0832是一个8位D/A转换芯片，单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为10V，电流建立时间为1us，CMOS工艺，低功耗20mm。它由一个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成。它旨在直接与8080，8048，8085，Z80及其他通用的微型处理器进行相接。存储的硅铬R-2R电阻梯形网络将参考电流分开，并为电路提供合适的温度处理特性（全范围最大线性温度误差的0.05%）。电路利用CMOS电流开关和控制逻辑来取得最少的电能损耗和最小的输出泄露电流误差。特殊的电路也能提供TTL逻辑输入电压的水平兼容。双缓冲可以使这些D/A转换器在获取下一个数位字时输出相应一个数位字的电压。这就使得任何一个D/A转换器均可进行同步更新。DAC0832逻辑框图和引脚排列如图2.4所示。DAC0832的电路简单，电流建立时间短，购买容易，故选择方案二。 图2.4 DAC0832逻辑框图和引脚排列DAC0832利用、ILE、控制信号可以构成三种不同的工作方式。1、直通方式：当=0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A 转换器。2、单缓冲方式：两个寄存器之一始终处于直通，即=0或=0，另一个寄存器处于受控状态。3、双缓冲方式：两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适用于多模拟信号同时输出的应用场合。本设计中DAC0832的和连接后接单片机的P3.0，和接地，让DAC083工作在单缓冲方式下。2.2.3 模数转换芯片TLC548是一款以开关电容逐次逼近原理工作且转换速度较快的模数转换芯片，而ADC0832则能够进行数据校验，减小数据误差。以下对这两款模数转换芯片进行方案选择。方案一，TLC548是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。是以开关电容逐次逼近原理工作的8位串行A/D芯片，供电范围为3V6V，控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜，适用于低功耗的袖珍仪器上的单路A/D采样，也可将多个器件并联使用。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC548允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，(VREF+)VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC548具有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC548时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。TLC548还可方便地与具有串行外围接口(SPI)的单片机或微处理器配合使用，也可与51系列通用单片机连接使用。方案二，ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分别率、双通道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32us，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。在正常情况下，ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别为CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO与DI并联在一根数据线上使用。由于ADC0832据有双数据输出，稳定性能强，虽然转换速度没有TCL548快，但是TCL548适用于低功耗的袖珍仪器。综合各方面因素，方案二更适合本设计。ADC0832引脚功能及引脚图如图2.5所示，实物图如图2.6所示。图2.5 ADC0832引脚图排列 图2.6 ADC0832实物图ADC0832引脚功能：1、：片选使能，低电平芯片使能。2、CH0：模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。3、CH1：模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。4、GND：芯片参考0电位（地）。5、DI：数据信号输入，选择通道控制。6、DO：数据信号输出，转换数据输出。7、CLK：芯片时钟输入。8、Vcc/REF：电源输入及参考电压输入（复用）。2.2.4 运算放大器运算放大器OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25uV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。而且OP07具有极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。该运放可防范应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大。OP07具有以下几个特点：1、低输入偏置电流：1.8nA。2、低失调电压漂移：0.5uV/。3、超稳定，时间：2V/month最大。4、高电源电压范围：3V至22V。5、超低偏移：150uV最大。因此，本设计采用OP07作为运算放大器。2.2.5 液晶屏显示LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32个英文字符和日文等一些字符，适合显示英文文字信息量较小的地方，可以应用在计算器、频率计、信号发生器、时钟等产品上。LCD1602引脚如图3.4所示。LCD1602显示屏性能及特点：1、显示容量：16X2个字符。2、芯片工作电压：4.5-5.5V。3、工作电流2MA（5V）不包括背光电流。4、模块最佳工作电压为5V。5、字符尺寸：2.95X4.35mm。6、带有英文和日文字库，使用方便。LCD1602显示屏引脚功能表如表2.1所示。表2.1 LCD引脚定义引脚号引脚名电平输入/输出作用1VSS电源地2VCC电源（+5V）3VEE对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令，1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据1=从LCD读取信息6E1,1-0输入使能信号，1时读取信息，1 0(下降沿)执行指令7DB00/1输入/输出数据总线line0（最低位）8DB10/1输入/输出数据总线line19DB20/1输入/输出数据总线line210DB30/1输入/输出数据总线line311DB40/1输入/输出数据总线line412DB50/1输入/输出数据总线line513DB60/1输入/输出数据总线line614DB70/1输入/输出数据总线line715A+VCCLCD背光电源正极16K接地LCD背光电源负极2.3 本章小结 综合以上各个方案的论证，本设计总原理框图如图2.7所示。本设计主要采用常用的STC89C52单片机芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，D/A的电压输出端接放大器OP07的输入端，设定放大器的放大倍数为5，输出到电压模块LM317的电压分辨率0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或降低电压。本主电路的原理是通过MCU控制D/A的输出电压大小，通过放大器放大，给稳压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压、电流还是由稳压模块LM317输出。这样整个电路就能形成一个闭环系统，通过对输出电压、电流的采集反馈，从而对输出电压进行稳压、恒流调节。模数转换ADC0832三端稳压 LM317电压采样电流采样电源单片机STC89C52液晶屏显示键盘控制数模转换DAC0832三端稳压LM317光信号采集灯信号反馈继电器驱动电压放大OP07图2.7 系统原理框图3、硬件模块设计3.1 单片机控制模块单片机控制模块主要以51系列的STC89C52芯片为核心，P0口接液晶显示屏LCD1602作为输出数据显示传输，同时P2.0、P2.1、P2.2是液晶LCD控制端口；P1口接DAC0832作为输出数据传输，P3.0为DAC0832控制端口；P3.1，P3.2，P3.3接3个独立键盘作为输入数据传输；P2.5,P2.6，P2.7接ADC0832作为输入/输出数据传输。单片机控制电路如图3.1所示。单片机RESET脚所接电路中，开关KEY1起到复位的作用。图3.1 单片机控制电路3.2 稳压控制模块该稳压控制模块主要由DAC0832、LM337、LM317及运放OP07组成。主要是用DAC0832输出的参考电压去控制LM317输出大小变化。其中DAC0832的基准电压Verf来源是通过调节LM337基准源。单片机STC89C52的P1口和DAC0832的数据口直接相连，DAC0832的和连接后接P3.0，和接地，让DAC0832工作在单缓冲方式下。通过调节可调电阻调节LM337的输出电压为5.12V，DAC0832的输出电流转换为电压的公式为：ui=-(bn-1*2n-1+ bn-2*2n-2+b1*2+ b0*20)*Rf=-B （式3.1）所以在DAC0832的11脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DAC0832输入数据端每增加1，电压增加0.02V。稳压控制电路如图3.2所示。图3.2 稳压控制电路由图2.3的LM317应用电路分析可得，设运算放大器OP07的输入电压分别为Ui1和Ui2，输出输出电压为Vo1。DAC0832的电压输出端接运算放大器OP07的输入端，该放大电路运用了典型的差分放大电路，并由差分放大公式Uo1=Au（|Ui1-Ui2|）且放大值Au=（R8+R9）/R8，得输出电压与输入电压关系： Uo1=(R8+R9)/R8*(| Ui1-Ui2|)=5*（|Ui1-Ui2|） (式3.2)电源输出电压为：Uout=Uo1+Uref*(1+R11/R12)=Uo1+1.25*(1+R11/R12)=Uo1+1.8 （式3.3）式3.3中，Uref为R12两端的电压，所以最小输出电压为1.8V，输出到电压模块LM317的电压分辨率为0.02*5=0.1V。当单片机输出数据增加1时，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。3.3 电压与电流采样模块电压与电流采样模块是系统的重要组成部分，ADC0832是一个8位的逐次逼近型ADC，它与一个两通道的模拟器连接，能对来自端口的两路单端输入电压进行采样。其中单端输入电压以0V（GND）为基准。对于ADC0832：以输入电压为准，如果输入电压大于设定的电压值，则减小DAC输出电压一位数值，再采样比较，如此循环下去，直到输入的电压等于设定的电压值或者接近设定的电压值。同理，如果输入的电压小于设定的电压，则增大输出电压一位数值，再采样比较，如此循环下去，直到输入的电压等于设定的电压值或接近设定的电压值。这样，就能达到闭环反馈的目的。（1）电压采样电路电压采样电路是在输出回路中并联两个可调电阻，调节使R14/（R13+R14）=0.2（式3.4），则从两个电阻之间采样电压为0.2Uo（Uo为电源输出电压）与系统DA转换5Ui对应，然后通过运算放大器UA741连接成的电压跟随器，对采样到的电压输入到模数转换器ADC0832中转换成数字信号，输入到单片机系统进行处理。（2）电流采样电路电流采样电路是为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC进行A/D转换。最后数据由单片机系统进行相应处理，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。放大倍数Au=R16/R15= 60/3=20，通过A/D转换，送给单片机处理，实现稳流功能。电压/电流采样电路如图3.3所示。3.4 显示模块显示的方式很多，主要分为两类：LED显示，LCD显示。LED是由发光二极管组成的显示屏，其显示亮度高，制作成本低，能提供宽达160的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以联网播出，而且LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误。但由于其耗电较大，所用端口随显示的数据位数增加而增加。如果采用动态扫描方式显示，则占用CPU的时间，如果采用静态显示则需要加锁存器，耗费硬件制作时间。而采用LCD显示屏显示则更为清晰、直观，而且还能使电路简单，更适合我们学生使用。从以上诸多因素来看，采用LCD显示更为理想。LCD最常用的是1602液晶模块，LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32个英文字符和日文等一些字符，符合显示英文文字信息量较小的地方，同时还可以清晰显示英文名称和电压电流单位，电压（三位：十位、个位、小数位），电流（三位：个位、两位小数）。通过单片机编程控制第4脚RS数据/命令选择端（H/L），第5脚R/W读/写选择端（H/L），第6脚E使能信号，从而实现显示效果。LCD1602显示电路如图3.4所示。它的显示运行原理如下：读状态：输入：RS=L，RW=H,E=H;输出：D0D7=状态字。写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲；输出：无。读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H；输出：D0D7=数据。写数据：输入：RS=L，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲；输出：无图3.3 电压/电流采样电路图3.4 LCD1602显示电路3.5 键盘模块系统中键盘模块设计了三个按键KEY2，KEY3，KEY4.如图3.5所示，分别由单片机P3.1、P3.2、P3.3输入。KEY2为翻页按键，最近设置的电压大小保存在单片机的存储器里，这样就能省去了反复设置电压的麻烦。KEY3为电压增加，KEY4为电压减小，按一下KEY3，当前电压增加0.1V，按一下KEY4，当前电压减小0.1V。图3.5 键盘电路3.6 光信号采集模块由光敏电阻，电位器电阻，NPN管以及UA741运算放大器组成，如图3.6所示。当光敏电阻受到光照射时，电阻减小，运放同向输入端为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平。光控电路的输出信号经过电压跟随器后，将比较微弱的电流信号放大到单片机能够识别的电流，然后由运算放大器输出端将放大后的信号传给单片机的P3.4口。电路中的集电极电阻R20作为限流电阻，保护三极管；调节电位器R21能够改变基极电流，从而控制发射极和集电极电流，进而控制整个光控电路对光信号的灵敏度。图3.6 光信号采集电路单片机P3.4口作为光控信号的输入口，P2.3口作为输出端，与继电器驱动相连。3.7 继电器驱动模块运算放大器UA741同相输入端与单片机P2.3口相连，因为单片机高电平时输出的电流大概是0.08-0.16mA，因此需要采用由UA741构成的电压跟随器将微弱的单片机输出信号放大，提高带负载能力，使输出电流能够带动三极管，但为防止电流过大烧坏三极管，因此加上限流电阻，从而通过三极管的开关作用来驱动继电器。继电器选择5V电压供电，触点电流为1A，吸合电流设为50mA，将基极电流控制在0.5mA，故选择三极管的，基极电流所以三极管的集电极电流（负载电流）的额点值要大于50mA，三极管的集电极-发射极和集电极-基极间的最大额定值要大于5V，即 ，所以选用9013三极管，它的参数为集电极-基极击穿电压为30 V，集电极-发射极击穿电压为25 V，集电极电流为500 mA ，基极电流为50mA。当开关的负载为继电器等感性负载时，在截断流过负载的电流时（晶体管进入截止状态时），会产生感应电动势。这时产生的电压非常大，一般为一百伏或几百伏。当这种电压超过晶体管的时，晶体管将会被击穿。因此给继电器并上一个反向电压达1000V的1N4007，将集电极的电位钳制在左右，防止三极管被击穿。继电器驱动电路如图3.7所示。图3.7 继电器驱动电路4、软件设计4.1 主程序模块开始初始化数据采集A/D转换子程序反馈比较子程序取键号电压是否增加？电压是否减小？调用电压加0.1V子程序调用电压减0.1V子程序YYNND/A转换输出控制灯图4.1 软件主程序流程图软件主程序流程图如图4.1所示，负责与各子程序模块的接口和检查键盘功能号。程序运行后，开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。液晶LCD1602直接显示CPU设定的数值。同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、分析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电压可调，稳定。4.2 电压反馈比较子程序模块比较子程序流程图如图4.2所示，通过比较子程序得出实际值与设定值的差值，如果是实际值大于设定值则将原来的显示设定值减去这个差值再转换，如果是实际值小于设定值则将原来的显示设定值加上这个差值再转换。保留显示设定值|实际值-设定差值|大于1?原来的显示设定值+差值恢复现场显示结果返回NNYY保护现场实际值设定值？原来的显示设定值-差值图4.2 反馈比较子程序流程图4.3 按键扫描子程序模块在开始扫描发现有键按下时，先进行消抖，防止由于按键振动导致误判。然后依次判断第一个键、第二个键和第三个键是否按下，当判断其中某一个键按下，立即输出返回值。按键扫描程序流程图如图4.3所示。NNNYYY开始扫描按键第三个键按下输出返回值退出是否有键按下消抖第一个键 是否按下？第二个键 是否按下？图4.3 按键扫描子程序流程图5、系统测试5.1 硬件测试1、在进行DAC0832电压的调试时，调节电位器R6使三端稳压器LM337稳定输出电压为5V。由于三端稳压器LM337性能不是很稳定，要细心调试，直到输出电压达到要求。2、运算放大器OP07的正输入端电压是来自于DAC0832的输出。所以在调试过程中，要测量OP07的输出端电压是否为0.1V的步进。由于电阻会存在误差，测试时又要考虑是否需要稍微增加或减少DAC0832的输入电压，以保证系统的精确度。3、由于运算放大器OP07是采用双电源供电，所以双电源可能会存在不平衡性，以至于造成放大的误差。要反复调节电位器R10使放大系统达到平衡状态。4、如果数控电源的最终输出端没有达到步进为0.1V的指标，这时就需要检查三端稳压器LM317的性能好坏。5、在检测运算放大器是否起到电压放大作用时，如果电压没有放大，先检查运放的每个引脚是否接对，再检查运放的VCC驱动电源是否接上，最后检查元器件是否损坏。6、在调试三极管时，发现三极管不能按要求进行导通和关断。这时先看看三极管的每个引脚是否接错，如果没有再用万用表测量每两个脚之间的阻值，检查三极管是否烧坏。7、DEG942继电器是否能够正常工作。用一个5V电源接在继电器驱动电源两端，当听到“嘡”的一声，用万用表测量其中一组管脚是否导通；然后将5V电源去掉后，再次听到“嘡”的一声，用万用表测量另外一组管脚是否导通。如果两组管脚都能够导通，能继电器正常；如果在接通电源前后导通管脚并没有变化，则先检查驱动电源是否正常为5V，不是则继电器已损坏。 在测量时，用稳定可调直流源向单片机输入电压，通过单片机数据处理和数模转换后，用万用表测量测量数模转换器的输出端，这样就能得到测量数据。在用可调直流源进行输入时，先用万用表测量输入端电压是否存在误差，在确定输入电压准确的情况下再进行测量操作。测量结果如表5.1所示。测量结果：表5.1 电压测试表系统理论电压值（V）系统测量电压值（V）误差（V）4.03.8-0.24.54.60.15.05.10.15.55.506.06.10.16.56.60.17.07.20.27.57.508.08.10.18.58.70.29.09.009.59.70.2根据上表测量数据情况进行数据误差分析：绝对误差：（0.2+0.1+0+0.2）/12=0.11V （式5.1）相对误差rA=（0.2/4.0+0.1/4.5+0/9.0+0.2/9.5）/12=1.73%（式5.2）由式5.1、式5.2所示，相对误差为1.73%2%，符合本设计要求。5.2 软件调试采用keil uvision2 进行调试。在编制完C语言后，在keil uvision2界面下进行调试分析。在进行调试的过程中，发现了诸多问题，例如：在主程序中应用到的函数，没有在程序开始对其定义；在某一句程序完结后没有加上分号；在某一段程序中多加了一个大括号，导致了这一段的每一句程序都显示有错误；在编制程序时编了两段主程序，导致了子程序无法调用。在同学和老师的帮助下，我一步一步地将这些错误修改完成。编译结果如图5.1所示。图5.1 程序编译结果在proteus中画好电路图之后，将keil编写的源程序导入STC89C52单片机中后进行仿真，仿真结果如图5.2所示。图5.2 仿真结果6、总结和展望经过几十天的艰苦奋战，在老师的悉心指导下终于完成了毕业设计的基本要求，虽然过程是艰苦的，但是我一步一个脚印的走了过来，最终获得了成功的喜悦。毕业设计之初，我以饱满热情投入到工作中去，积极询问指导老师，虚心向同学请教，认真查阅图书、资料、手册。在这次毕业设计之中，我学到了许多宝贵经验。锻炼了我独立思考，独立分析，独立解决问题的能力，同时以深刻感到自己对许多知识还不甚了解。通过毕业设计，对一些已学过的知识，是一个很好的回顾，巩固了自己所学的知识，又从实践中验证了理论知识，实践与理论相结合。本设计是采用以单片机为核心，通过LM317三端稳压器进行稳压，采用D/A输出调节晶体管的偏置电流/电压。此方案能够有效的节省时间，并且提高输出精度。当单片机通过闭环负反馈调节回路的A/D转换检测到电压没达到设定值时，将再次对输出电压进行调制，直到输出电压达到设定值；电压值理论上是线性变化的，不会产生高次谐波。基本达到了此次毕业设计的预期目的。通过本次设计，以前没有认真消化、吸收的、不能触类旁通的、彼此各科知识没有有效地掌握的以及遇到问题不知从何下手的，现在在指导老师的帮助下，得到了解决。而且在几个月的设计中，综合能力得到了提高。放眼今后，路灯稳压控制系统今后的发展方向之一将是以微处理器为核心的数控稳压系统，它将利用最新的计算机技术、网络技术及数字化技术，充分发挥微处理器强大的信息处理能力，使其突破传统稳压系统的概念。将来控制电路采用全数字化，并且进一步提高了电源设备的